DE4324154A1 - Device and method for analysis, with high spatial resolution, of at least one gas component in a gas mixture - Google Patents
Device and method for analysis, with high spatial resolution, of at least one gas component in a gas mixtureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente in einem Gasgemisch.The invention relates to an apparatus and a method for spatially high-resolution analysis of at least one gas component in a gas mixture.
Mit der steigenden Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffe und den daraus resultierenden behördlich auferlegten Anforderungen für die Schadstoffreduzierung kommt der Messung beispielsweise der Konzentration von einzelnen Gaskomponenten eines Gasgemischs besondere Bedeutung zu. Die optische Fernerkundung geführter Gasemissionen, wie in Fig. 5a und 5b dargestellt, bietet eine Möglichkeit, Gaskomponenten, beispielsweise in den geführten Emissionen einer Fabrik (Fig. 5a) oder in den Abgasen eines Flugzeugtriebwerks (Fig. 5b) zu erfassen. Derartige optische Fernerkundungssysteme werden seit ca. zwanzig Jahren für die Messung von Gaskomponenten bzw. Spurengasen genutzt.With the increasing pollution of the environment by pollutants and the resulting regulatory requirements for pollutant reduction, the measurement of, for example, the concentration of individual gas components of a gas mixture is of particular importance. Optical remote sensing of guided gas emissions, as shown in FIGS. 5a and 5b, offers a possibility of detecting gas components, for example in the guided emissions of a factory ( FIG. 5a) or in the exhaust gases of an aircraft engine ( FIG. 5b). Such optical remote sensing systems have been used for the measurement of gas components or trace gases for about twenty years.
Bei den optischen Fernerkundungssystemen lassen sich zwei Prinzipien unterscheiden. Das eine Prinzip basiert darauf, das Gasgemisch G mit einer Lichtquelle einer bestimmten Wellenlänge zu bestrahlen und das Absorptionsspektrum (oder Transemissionsspektrum) zur Bestimmung der gemittelten Konzentration von einzelnen Gaskomponenten G1, G2 auszuwerten. Das andere Prinzip basiert auf der direkten Auswertung des Eigenemissionsspektrums des Gasgemischs G.With optical remote sensing systems, there are two Distinguish principles. One principle is based on that Gas mixture G with a light source of a certain wavelength to irradiate and the absorption spectrum (or Transmission spectrum) to determine the averaged Evaluate the concentration of individual gas components G1, G2. The other principle is based on the direct evaluation of the Self-emission spectrum of the gas mixture G.
Fig. 6a zeigt eine typische herkömmliche Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten gemäß dem ersten Prinzip der differentiellen Absorptionsspektroskopie. Zwei von einer Steuereinrichtung 22 gesteuerte Laser 23, 24 emittieren zwei Laserlichtstrahlen mit Wellenlängen λ1, λ2, die auf eine Meßzelle 25 mit dem Gasgemisch G gerichtet sind. Wie Fig. 6b zeigt, liegt die Wellenlänge λ1 immer bei der Aborptionslinie des zu untersuchenden Gases. Die Wellenlänge λ2 liegt benachbart zu der Wellenlänge λ1 in einem Bereich, an der keine Absorptionslinie für das zu untersuchende Spurengas vorhanden ist. In der Verarbeitungseinheit 26 wird dann die bei der Wellenlänge λ2 ermittelte Hintergrundstrahlung von der bei λ1 ermittelten Strahlung subtrahiert. Daraus wird die über den Strahlungskegel der Laser 23, 24 gemittelte Konzentration des Spurengases auf Grund der ermittelten Größe der Absorptionslinie bestimmt werden. Dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch und räumliche Verteilungen, die für die Bewertung von Schadstoffemissionen maßgeblich sind, lassen sich aber mit der in Fig. 6 gezeigten Analysevorrichtung nicht ermitteln. FIG. 6a, a typical conventional apparatus for determining the concentration of gas components is according to the first principle of differential absorption spectroscopy. Two lasers 23 , 24 controlled by a control device 22 emit two laser light beams with wavelengths λ1, λ2, which are directed onto a measuring cell 25 with the gas mixture G. As FIG. 6b shows, the wavelength λ1 is always at the absorption line of the gas to be examined. The wavelength λ2 lies adjacent to the wavelength λ1 in a region where there is no absorption line for the trace gas to be examined. In the processing unit 26 , the background radiation determined at the wavelength λ2 is then subtracted from the radiation determined at λ1. From this, the concentration of the trace gas averaged over the radiation cone of the lasers 23 , 24 will be determined on the basis of the determined size of the absorption line. However, dynamic processes in the gas mixture and spatial distributions, which are decisive for the evaluation of pollutant emissions, cannot be determined with the analysis device shown in FIG. 6.
Die EP-0 421 291 A1, die DE-39 20 470 C2 und die DE 40 10 004 A1 beschreiben weitere Vorrichtungen zur spektroskopischen Analyse der Konzentration von Gaskomponenten eines Gasgemisches, wobei, wie oben beschrieben, ebenfalls eine Lichtquelle in das Gasgemisch eingestrahlt und das Absorptionsspektrum ausgewertet wird.EP-0 421 291 A1, DE-39 20 470 C2 and DE 40 10 004 A1 describe further devices for spectroscopic analysis of the concentration of gas components a gas mixture, wherein, as described above, also one Light source radiated into the gas mixture and that Absorption spectrum is evaluated.
Das GM 90 10 621.0 beschreibt eine Analysevorrichtung, bei der ein Strahlteiler verwendet wird, um die Strahlung zweier Lichtquellen zu kombinieren und in eine Meßzelle einzustrahlen. Zur Auswertung des von der Meßzelle absorbierten Lichtes sind Lichtdetektoren zu beiden Seiten der Meßzelle angeordnet. Auch diese Analysevorrichtung kann lediglich die gemittelte Konzentration und nicht die räumliche Verteilung oder dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch bestimmen.The GM 90 10 621.0 describes an analysis device in which a beam splitter is used to separate the radiation from two Combine light sources and irradiate them in a measuring cell. To evaluate the light absorbed by the measuring cell Light detectors arranged on both sides of the measuring cell. Also this analysis device can only average Concentration and not the spatial distribution or Determine dynamic processes in the gas mixture.
Die DE 30 05 520 C2 beschreibt eine Analysevorrichtung, die auf dem oben erwähnten zweiten Prinzip beruht, d. h. die Vorrichtung bestimmt das Emissionsspektrum in Fig. 6c auf Grundlage der Eigenemission des Gasgemischs. Dieses auf dem Michelson- Interferometer basierende Fourier-Spektrometer besitzt eine hohe spektrale Auflösung und ermöglicht somit die Konzentrationsanalyse einer Vielzahl von Spurengasen in kurzer Zeit. Auf Grundlage des aufgenommenen Emissionsspektrums (Fig. 6c) kann durch Auswertung der spurengasspezifischen Signaturen auf die über die Breite der Gasemission gemittelte Konzentration einzelner Spurengase und auf die Fahnentemperatur im Gasgemisch geschlossen werden. Obwohl dieses Fourier- Spektrometer eine hohe spektrale Auflösung besitzt, kann damit jedoch nur die gemittelte Konzentration einzelner Spurengase bestimmt werden. Dynamische Vorgänge und räumliche Verteilungen können damit aber nicht bestimmt werden.DE 30 05 520 C2 describes an analysis device based on the second principle mentioned above, ie the device determines the emission spectrum in FIG. 6c on the basis of the self-emission of the gas mixture. This Fourier spectrometer based on the Michelson interferometer has a high spectral resolution and thus enables the concentration analysis of a large number of trace gases in a short time. On the basis of the recorded emission spectrum ( FIG. 6c), by evaluating the trace gas-specific signatures, conclusions can be drawn about the concentration of individual trace gases averaged over the width of the gas emission and the flag temperature in the gas mixture. Although this Fourier spectrometer has a high spectral resolution, it can only be used to determine the average concentration of individual trace gases. However, dynamic processes and spatial distributions cannot be determined with it.
Die DE-40 15 623 A1 beschreibt eine Analysevorrichtung zur Darstellung der räumlichen Verteilung eines Gasgemischs, wie in Fig. 7 dargestellt. Eine Aufnahmeeinrichtung A, die das Eigenemissionsspektrum eines Gasgemisches aufnimmt, umfaßt ein Bandpaßfilter 27, ein Objektiv 28 und ein gasselektives Modulationselement 29. Eine Auswerteeinrichtung B umfaßt ein 2D-Sensorfeld 30, eine Verarbeitungseinrichtung 31 und eine Anzeigeeinrichtung 32. Das Bandpaßfilter 27 begrenzt die einfallende Strahlung des Eigenemissionsspektrums auf den Wellenlängenbereich, in dem eine Komponente des Gasgemischs Strahlung absorbiert oder emittiert. Das gasselektive Modulationselement 19, welches als ein Gasfilterrad ausgeführt sein kann, führt eine Grauwert-Modulation der Bildelemente des 2D-Sensorfeldes 30 durch. Aus den Differenzen der Bildgrauwerte wird in der Bearbeitungseinheit 31 die räumliche Verteilung der Komponente ermittelt und auf der Anzeigeeinrichtung 32 wird in der Bearbeitungseinheit 31 die räumliche Verteilung der Komponente ermittelt und auf der Anzeigeeinrichtung 32 dargestellt. Da diese Analysevorrichtung nicht auf dem Prinzip der differentiellen Absorptionsspektroskopie beruht, ist eine aufwendige Modulation der von dem Objektiv 28 aufgenommenen Eigenemission erforderlich. Durch die Modulation und deren Auswertung ergibt sich aber eine hohe Verarbeitungszeit und somit können keine dynamischen Vorgänge dargestellt werden.DE-40 15 623 A1 describes an analysis device for displaying the spatial distribution of a gas mixture, as shown in FIG. 7. A recording device A, which records the self-emission spectrum of a gas mixture, comprises a bandpass filter 27 , an objective 28 and a gas-selective modulation element 29 . An evaluation device B comprises a 2D sensor field 30 , a processing device 31 and a display device 32 . The bandpass filter 27 limits the incident radiation of the self-emission spectrum to the wavelength range in which a component of the gas mixture absorbs or emits radiation. The gas-selective modulation element 19 , which can be designed as a gas filter wheel, carries out a gray value modulation of the picture elements of the 2D sensor field 30 . The spatial distribution of the component is determined in the processing unit 31 from the differences in the image gray values, and the spatial distribution of the component is determined in the display unit 32 in the processing unit 31 and displayed on the display unit 32 . Since this analysis device is not based on the principle of differential absorption spectroscopy, complex modulation of the self-emission recorded by the objective 28 is necessary. However, the modulation and its evaluation result in a long processing time and therefore no dynamic processes can be represented.
Mit den herkömmlichen Analysevorrichtungen und Analyseverfahren läßt sich jedoch nur die über die Breite einer Gasemission gemittelte Konzentration von Gaskomponenten bzw. die Fahnentemperatur bestimmen, wobei keinerlei Information über räumliche sowie dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch bestimmt werden. Für den Benutzer sind diese Größen aber von keinem großen Interesse, um Umweltschutzauflagen zu erfüllen, die sich größtenteils auf die Einhaltung von Schadstoffkonzentrationen in begrenzten räumlichen Gebieten beziehen. Dafür ist es aber erforderlich, genaue Informationen über das räumliche Ausbreitungsverhalten von einzelnen Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kurzer Zeit zu ermitteln.With the conventional analysis devices and analysis methods however, only the width of a gas emission can be average concentration of gas components or the Determine flag temperature, with no information about spatial and dynamic processes in the gas mixture determined become. For the user, however, these sizes are of none great interest to meet environmental protection requirements largely on compliance with pollutant concentrations relate in limited spatial areas. But that's what it is for required accurate information on the spatial Propagation behavior of individual gas components in the Determine gas mixture in a short time.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somitIt is therefore an object of the present invention
- - eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche Informationen über das räumliche Ausbreitungs verhalten von mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in kurzer Zeit bestimmen können.- to specify a device and a method which Information about the spatial spread behavior of at least one gas component of a Can determine gas mixture in a short time.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt eine Vorrichtung zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs die folgenden Merkmale:To achieve this object, a device for spatially high resolution analysis of at least one gas component of a Gas mixture the following characteristics:
- a) eine Aufnahmeeinrichtung zum Empfang eines 2D-Emissionsspektrums des Gasgemischs in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet; a) a receiving device for receiving a 2D emission spectrum of the gas mixture in one spatial limited two-dimensional area;
- b) eine Strahlteilereinrichtung zum Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum;b) a beam splitter device for splitting the received emission spectrum into a first and a second part emission spectrum;
- c) ein erstes und ein zweites 2D-Sensorfeld zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums;c) a first and a second 2D sensor field for reception the first and second partial emission spectrum;
- d) eine 2D-Referenzfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem ersten 2D-Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums aufweist.d) a 2D reference filter arrangement between the Beam splitter device and the first 2D sensor field is arranged and at least one reference filter for Has filtering of the first part emission spectrum.
- e) eine 2D-Gasselektionsfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem zweiten 2D-Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums aufweist; unde) a 2D gas selection filter arrangement which between the beam splitter device and the second 2D sensor array is arranged and at least one Gas selection filter to filter the second Has part emission spectrum; and
- f) eine Verarbeitungs-Einrichtung zum Ermittelung des räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums.f) a processing device for determining the spatial course of the length-integrated Particle amount of the gas component based on the filtered first part emission spectrum and the filtered second part emission spectrum.
Die obige Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs gelöst, welches die folgenden Schritte umfaßt:The above task is also accomplished by a method for spatially high-resolution analysis of at least one gas component solved a gas mixture, the following steps includes:
- a) Aufnehmen eines 2D-Emissionsspektrums des Gasgemisches in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;a) Recording a 2D emission spectrum of the Gas mixture in a spatially limited two-dimensional area;
- b) Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum; b) splitting the received emission spectrum into one first and a second part emission spectrum;
- c) Filtern des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums mit mindestens einem Referenzfilter einer 2D-Referenzfilter-Anordnung bzw. mindestens einem Gasselektionsfilter einer 2D-Gasselektionsfilteranordnung;c) filtering the first and second partial emission spectrum with at least one reference filter 2D reference filter arrangement or at least one Gas selection filter one 2D gas selection filter arrangement;
- d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums;d) receiving the first and second filtered Part emission spectrum;
- e) Ermitteln des räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrum.e) determining the spatial course of the length-integrated particle quantity of the gas component based on the filtered first Part emission spectrum and the filtered second Partial emission spectrum.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besitzen eine Reihe von signifikanten Vorteilen gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik:The device according to the invention and the invention Processes have a number of significant advantages compared to the prior art described at the beginning:
- - die Vorrichtung und das Verfahren basiert auf dem Prinzip der differentiellen Emissionsspektroskopie, so daß lediglich auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums die räumliche Konzentrationsverteilung (räumlicher Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge) ermittelt werden kann. Eine derartige Verarbeitung des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums erfordert aber nur eine geringe Verarbeitungszeit und somit ist ein Echtzeitbetrieb zur Ermittlung von dynamischen Ausbreitungsvorgängen von Gaskomponenten in dem Gasgemisch möglich;- The device and the method is based on the principle differential emission spectroscopy, so that based only on the filtered first Part emission spectrum and the filtered second Partial emission spectrum the spatial Concentration distribution (spatial course of the length-integrated particle quantity) can be determined. Such processing of the first and second Partial emission spectrum requires only a small one Processing time and thus is a real time operation Determination of dynamic propagation processes of Gas components possible in the gas mixture;
- - die Vorrichtung und das Verfahren koppeln die bekannte Technologie einer Wärmebildkamera mit der hier eingeführten "differentiellen optischen Emissionsspektroskopie" und erlauben die Messung einer Vielzahl von Komponenten in dem Gasgemisch in kürzester Zeit;- The device and the method couple the known Technology of a thermal imaging camera with this one introduced "differential optical Emission Spectroscopy "and allow the measurement of a Variety of components in the gas mixture in the shortest possible time Time;
- - die Verwendung der 2D-Sensor-Felder ermöglicht die Analyse der Emissionsdaten und stellt eine hohe räumliche Auflösung sicher;- The use of the 2D sensor fields enables analysis the emission data and represents a high spatial Resolution sure;
- - da dynamische Vorgänge ermittelbar sind, kann die räumliche Verteilung von Masseflüssen aus der zeitlichen Ableitung der Konzentrationsverteilungen bzw. der räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen ermittelt werden; und- Since dynamic processes can be determined, the spatial distribution of mass flows from the temporal Derivation of the concentration distributions or the spatial courses of the length-integrated particle quantities be determined; and
- - die Vorrichtung erfordert keine aktiven Lichtquellen und ist somit kompakt und preiswert.- The device does not require active light sources and is therefore compact and inexpensive.
Um die räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen von mehreren Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kurzer Zeit zu ermitteln, ist es vorteilhaft wenn die Referenzfilter-Anordnung eine Vielzahl von Referenzfiltern und die Gasselektionsfilter-Anordnung eine Vielzahl von Gasselektionsfiltern umfaßt, wobei eine Wechseleinrichtung vorgesehen ist, um ein Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar ersetzt werden. Ein Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar wird dabei durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar ersetzt und die obigen Schritte c) bis e) werden wiederholt.To the spatial courses of the length-integrated Amounts of particles from several gas components in the gas mixture in to determine in a short time, it is advantageous if the Reference filter arrangement a variety of reference filters and the gas selection filter arrangement a variety of Gas selection filters comprises, with a changing device is provided to a reference filter gas selection filter pair through another pair of reference filters and gas selection filters be replaced. A reference filter-gas selection filter pair is thereby by another pair of reference filters and gas selection filters replaced and the above steps c) to e) are repeated.
Um Informationen bezüglich der räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen der Gaskomponenten in kurzer Zeit und übersichtlich bereit zustellen, können diese auf einer mit der Verarbeitungseinrichtung gekoppelten Anzeigeeinrichtung beispielsweise mit verschiedenen Farben dargestellt werden. Dies ermöglicht dem Benutzer im Echtzeitbetrieb dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch einfach zu beobachten. For information regarding the spatial course of the length-integrated particle quantities of the gas components in short To provide time and clearly, this can be done on one display device coupled to the processing device for example with different colors. This enables the user to be dynamic in real time Easy to observe processes in the gas mixture.
Da die Strahlteilereinrichtung und das 2D-Sensorfeld in parallelen Strahlengängen der Emissionspektren vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, jeweils eine Fokussieroptik zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem 2D-Sensorfeld vorzusehen.Since the beam splitter device and the 2D sensor field in parallel beam paths of the emission spectra are provided, it is advantageous to have a focusing lens between each To provide beam splitter device and the 2D sensor field.
Um in vorteilhafter Weise Untergrundsanteile, sowohl elektrische als auch thermische zu eliminieren, ist eine Kalibrationseinrichtung vor der Aufnahmeeinrichtung angeordnet.To advantageously subsoil parts, both Eliminating both electrical and thermal is one Calibration device arranged in front of the recording device.
Je nach Ausdehnung des zu überwachenden Bereichs von Schadstoffemissionen kann die Aufnahmeeinrichtung als Weitwinkelobjektiv oder Teleobjektiv ausgebildet sein.Depending on the extent of the area to be monitored from The receiving device can be used as a pollutant Wide-angle lens or telephoto lens.
Bei der Strahlteilereinrichtung kann es sich um einen optischen Strahlteiler handeln. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Teilstrahler ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 besitzt.The beam splitter device can be an optical one Act beam splitter. It is advantageous if the Partial radiator has a division ratio of 50:50.
Für die 2D-Sensorfelder können in vorteilhafter Weise zweidimensionale CCD-Arrays verwendet werden, die eine hohe räumliche Auflösung besitzen und preiswert sind.For the 2D sensor fields can advantageously Two-dimensional CCD arrays are used that are high have spatial resolution and are inexpensive.
In vorteilhafter Weise handelt es sich bei der Referenzfilter- Anordnung um ein Filterrad, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von Referenzfiltern aufweist. In ähnlicher Weise ist die Gasselektionsfilter-Anordnung als ein Filterrad ausgeführt, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von Gasselektrionsfiltern aufweist. Dies ermöglicht eine Änderung der Referenz- bzw. Gasselektionsfilter in kurzer Zeit.The reference filter is advantageously Arrangement around a filter wheel, which along its circumference Has a variety of reference filters. In a similar way the gas selection filter arrangement is designed as a filter wheel, which along its circumference is the multitude of Has gas electrode filters. This enables a change the reference or gas selection filter in a short time.
Für die Drehung der Filterräder kann die Wechseleinrichtung in vorteilhafter Weise als eine Dreheinrichtung ausgeführt sein. Die beiden Filterräder werden dadurch gleichzeitig zur Wechselung eines Filterpaaares gedreht.For the rotation of the filter wheels, the changing device in be advantageously carried out as a rotating device. The two filter wheels are thereby simultaneously Change of a pair of filters rotated.
Um eine differentielle Emissionsspektroskopie in einfacher Weise zu ermöglichen, besitzt das Gasselektionsfilter eine Durchlaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge einer zu ermittelnden Gaskomponente in dem Gasgemisch und das Referenzfilter weist eine Durchlaßcharakteristik bei einer Wellenlänge nahe bei der charakteristischen Wellenlänge auf.To make differential emission spectroscopy easier The gas selection filter has a way to enable Pass characteristic at the characteristic wavelength a gas component to be determined in the gas mixture and that Reference filter has a pass characteristic at a Wavelength close to the characteristic wavelength.
Die Verarbeitungseinrichtung steuert die Wechseleinrichtung in vorteilhafter Weise so, daß ein Filterpaarwechsel mit einer Frequenz von 5 Hz stattfindet. Ein derartiger schneller Filterwechsel ermöglicht die Ermittlung von dynamischen Vorgängen im Gasgemisch.The processing device controls the exchange device in advantageously so that a filter pair change with a Frequency of 5 Hz takes place. Such a quick one Changing the filter enables the determination of dynamic Processes in the gas mixture.
Weitere Merkmale, Aufgaben und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Patentansprüchen und der nun folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen.Further features, objects and embodiments of the invention result from the attached patent claims and the now following detailed description with the accompanying Drawings.
In den Zeichnungen zeigt:In the drawings:
Fig. 1: Ein Blockschaltbild zur Erklärung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von zweidimensionalen räumlichen Verläufen von längenintegrierten Teilchenmengen von Gaskomponenten; Fig. 1: A block diagram for explaining the apparatus of the invention for the determination of two-dimensional spatial gradients of length integrated amounts of particles of gas components;
Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Fig. 1; FIG. 2: an embodiment of the device according to FIG. 1;
Fig. 3: eine Darstellung eines Filterrades zur Verwendung als Referenzfilter-Anordnung oder Gasselektionsfilter- Anordnung; FIG. 3 shows an illustration of a filter wheel for use as a reference filter arrangement or Gasselektionsfilter- assembly;
Fig. 4: eine Ansicht einer Anzeigeeinrichtung, auf der räumliche Verteilungen von längenintegrierten Teilchenmengen von mehreren Gaskomponenten dargestellt sind; FIG. 4 is a view of a display device are displayed on the spatial distributions of length amounts of particles integrated from a plurality of gas components;
Fig. 5a, b: Beispiele zur Verwendung der vorliegenden Erfindung zur optischen Fernerkundung von Gasemissionen; FIG. 5a, b: Examples of using the present invention for optical remote sensing of gaseous emissions;
Fig. 6a: eine herkömmliche Vorrichtung zur differentiellen spektroskopischen Analyse von Gaskomponenten in einem Gasgemisch; FIG. 6a: a conventional apparatus for differential spectroscopic analysis of gas components in a gas mixture;
Fig. 6b: ein Graph zur Erklärung des Prinzips der differentiellen Absorptionsspektroskopie; Fig. 6b: a graph for explaining the principle of differential absorption spectroscopy;
Fig. 6c: ein typisches Emissionsspektrum eines Gasgemischs; und Fig. 6c: a typical emission spectrum of a gas mixture; and
Fig. 7: eine herkömmliche Vorrichtung zur Darstellung der räumlichen Verteilung eines Gasgemischs. Fig. 7 shows a conventional apparatus for display of the spatial distribution of a gas mixture.
Im folgenden wird das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.The principle of the device and the method according to the invention is described below with reference to FIG. 1.
Das Eigenemissionsspektrum E eines Gasgemisches G wird von einer Aufnahmeeinrichtung 1 empfangen und durch eine Strahlteilereinrichtung 2 in ein erstes und zweites Teilemissionsspektrum E1, E2 aufgeteilt, die durch eine Referenzfilter-Anordnung 5 bzw. eine Gasselektionsfilter- Anordnung 6 in ein erstes und zweites gefiltertes Teilemissionsspektrum F1, F2 gefiltert wird. Ein erstes und zweites zweidimensionales Sensorfeld 3, 4 empfängt das erste und das zweite gefilterte Teilemissionsspektrum F1, F2 und leitet ein entsprechendes elektrisches Signal an eine Verarbeitungseinrichtung 8.The self-emission spectrum E of a gas mixture G is received by a recording device 1 and divided by a beam splitter device 2 into a first and second part emission spectrum E1, E2, which is divided into a first and second filtered part emission spectrum F1 by a reference filter arrangement 5 and a gas selection filter arrangement 6 , F2 is filtered. A first and a second two-dimensional sensor field 3 , 4 receive the first and the second filtered partial emission spectrum F1, F2 and conduct a corresponding electrical signal to a processing device 8 .
Die Referenzfilter-Anordnung 5 umfaßt mindestens ein Referenzfilter und die Gasselektionsfilter-Anordnung umfaßt mindestens ein Gasselektionsfilter. Jedes Gasselektionsfilter ist ein Bandpaßfilter und besitzt eine Durchlaßcharakteristik bei der entsprechenden charakteristischen Wellenlänge der zu untersuchenden Gaskomponente. Jedes Referenzfilter ist ebenfalls ein Bandpaßfilter, dessen Durchlaßfrequenz jeweils benachbart zur Durchlaßfrequenz des Referenzfilters liegt, um nur die jeweilige Hintergrundstrahlung zu ermitteln.The reference filter arrangement 5 comprises at least one reference filter and the gas selection filter arrangement comprises at least one gas selection filter. Each gas selection filter is a bandpass filter and has a pass characteristic at the corresponding characteristic wavelength of the gas component to be examined. Each reference filter is also a bandpass filter, the pass frequency of which is adjacent to the pass frequency of the reference filter in order to determine only the respective background radiation.
Eine Wechseleinrichtung 7 ist vorgesehen, um ein Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar zu ersetzen. Die Verarbeitungseinrichtung 8 steuert die Wechseleinrichtung 7 zum Ersetzen des Filterpaares und ermittelt jeweils für eine zu untersuchende Gaskomponente für ein Filterpaar den räumlichen Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente auf Grundlage der differentiellen Emissionsspektroskopie, d. h. das gefilterte erste Teilemissionsspektrum F1 und das gefilterte zweiten Teilemissionsspektrum F2 werden mittels der differentiellen Emissionsspektroskopie miteinander ausgewertet. Der dadurch ermittelte räumliche Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge kann auf einer mit der Verarbeitungseinrichtung 8 gekoppelten Anzeigeeinrichtung 9 angezeigt werden.An exchange device 7 is provided in order to replace a pair of reference filters and gas selection filters with another pair of reference filters and gas selection filters. The processing device 8 controls the changeover device 7 for replacing the filter pair and determines the spatial profile of the length-integrated particle quantity of the gas component for a gas component to be examined for a filter pair on the basis of the differential emission spectroscopy, ie the filtered first part emission spectrum F1 and the filtered second part emission spectrum F2 are determined by means of differential emission spectroscopy. The spatial course of the length-integrated particle quantity determined in this way can be displayed on a display device 9 coupled to the processing device 8 .
Die von den Sensorfeldern 3, 4 aufgenommenen Bilder stellen zunächst aber Intensitätsverteilungen I(x, y) der von einer Gaskomponente G1, G2 emittierten Stahlung dar. Die Verarbeitungseinheit 8 ermittelt nun den Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge mittels des im folgenden als "differentielle Emissionsspektroskopie" bezeichneten Verfahrens, welches sich von der differentiellen Absorptionsspektroskopie (siehe oben) in einigen Punkten unterscheidet. Die aufgenommenen Intensitäten I₁, I₂ der beiden gemessenen Teilspektren F1, F2 lassen sich mathematisch folgendermaßen darstellen:However, the images recorded by the sensor fields 3 , 4 initially represent intensity distributions I (x, y) of the radiation emitted by a gas component G1, G2. The processing unit 8 now determines the course of the length-integrated particle quantity by means of what is referred to below as "differential emission spectroscopy" Process that differs from differential absorption spectroscopy (see above) in some respects. The recorded intensities I₁, I₂ of the two measured partial spectra F1, F2 can be represented mathematically as follows:
I₁(λ₁) = BH·ε·T + (1-T)BA (1)
I₂(λ₂) = BH·ε (2)I₁ (λ₁) = B H · ε · T + (1-T) B A (1)
I₂ (λ₂) = B H · ε (2)
BH: Plankfunktion des Hintergrundes;
ε: Emissivität des Hintergrundes;
T: Transmission des Spurengases;
BA: Plankfunktion der Gaswolke;
λ₁: Wellenlänge der Spurengaskanals;
λ₂: Wellenlänge des Referenzkanals;B H : Plank function of the background;
ε: emissivity of the background;
T: transmission of trace gas;
B A : Plank function of the gas cloud;
λ₁: wavelength of the trace gas channel;
λ₂: wavelength of the reference channel;
Damit folgt:
I₁(λ₁) = I₂(λ₂) T + (1-T)BA (3)It follows:
I₁ (λ₁) = I₂ (λ₂) T + (1-T) B A (3)
Eine Lösung dieser Gleichung mit den beiden Unbekannten T und BA läßt sich eindeutig für jedes Bildelement der 2-dimensionalen Messung unter Benutzung der Information aus dem Nachbarbildelement bestimmen. Geeignete mathematische Verfahren sind z. B. aus der Satellitenbildanalyse bekannt. Nach der Bestimmung der Größe T für jedes Bildelement läßt sich die längenintegrierte Konzentration über die mathematische Beziehung:A solution to this equation with the two unknowns T and BA can be clearly defined for every picture element of the 2-dimensional measurement using the information from the Determine neighboring picture element. Suitable mathematical Methods are e.g. B. known from satellite image analysis. To the determination of the size T for each picture element, the length-integrated concentration over the mathematical Relationship:
T = exp(-n·k·L) (4)T = exp (-nkL) (4)
bestimmen, wobei n.L die längenintegrierte Teilchenmenge, L die Breite der Gasströmung und k der Absorptionskoeffizient des Spurengases ist. Die Verarbeitung der beiden gefilterten Teilemissionsspektren F1, F2 mit der Verarbeitungs-Einrichtung 8 führt also zum räumlichen Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente.determine, where nL is the length-integrated amount of particles, L is the width of the gas flow and k is the absorption coefficient of the trace gas. The processing of the two filtered partial emission spectra F1, F2 with the processing device 8 thus leads to the spatial course of the length-integrated particle quantity of the gas component.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung stellt somit ein Meßsystem zur gasselektiven, räumlich hochauflösenden Messung von Gaskomponenten eines Gasgemisches G mit Hilfe der differentiellen optischen Signaturspektroskopie dar. Diese Vorrichtung mißt also das Emissionsspektrum E eines Szenario in spurengasspezifischen Spektralbereichen mit hoher räumlicher Auflösung. Da die Referenzfilter-Anordnung 5 und die Gasselektionsfilter-Anordnung G mehrere Referenzfilter und Gasselektionsfilter aufweisen, können durch die Messung bei verschiedenen charakteristischen Wellenlängen die Konzentrationsverteilungen der Gaskomponenten sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmt werden.The apparatus shown in Fig. 1 thus represents a measurement system for gas-selective, high spatial resolution measurement of gas components in gas mixtures G by means of the differential optical signature spectroscopy. Thus, this apparatus measures the emission spectrum E of a scenario in trace gas specific spectral regions with high spatial resolution. Since the reference filter arrangement 5 and the gas selection filter arrangement G have a plurality of reference filters and gas selection filters, the concentration distributions of the gas components can be determined both qualitatively and quantitatively by measurement at different characteristic wavelengths.
Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung durch die simultane Messung bei zwei verschiedenen Wellenlängen die Bestimmung von bewegten oder zeitlich veränderlichen Szenarien und eignet sich somit auch für die Beobachtung eines Meßszenarios durch eine Bewegung der Anordnung selbst, bzw. der Aufnahmeeinrichtung der Anordnung.In particular, the device enables simultaneous Measurement at two different wavelengths the determination of moving or changing scenarios and is suitable thus also for the observation of a measurement scenario by a Movement of the arrangement itself, or the receiving device of the Arrangement.
Auf Grundlage des zweidimensionalen räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge einzelner Gaskomponenten kann die Verarbeitungseinrichtung auf Grundlage der wellenlängenspezifischen Signatur der einzelnen Gaskomponenten auch die Windrichtung, die Flußgeschwindigkeit oder den Massenfluß ermitteln. Die räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen der Gaskomponenten G1, G2 werden vorzugsweise in verschiedenen Farben auf der Anzeigeeinrichtung 9 (siehe auch Fig. 4) dargestellt.On the basis of the two-dimensional spatial course of the length-integrated particle quantity of individual gas components, the processing device can also determine the wind direction, the flow velocity or the mass flow on the basis of the wavelength-specific signature of the individual gas components. The spatial courses of the length-integrated particle quantities of the gas components G1, G2 are preferably shown in different colors on the display device 9 (see also FIG. 4).
Die Verarbeitung-Einrichtung 8 kann in Zusammenhang mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung Meßsystem folgende physikalischen Größen bezüglich der Gaskomponenten G1, G2 des Gasgemischs G ermitteln:In connection with the arrangement of the measuring system shown in FIG. 1, the processing device 8 can determine the following physical quantities with regard to the gas components G1, G2 of the gas mixture G:
- 1. Erfassung der räumlichen Verteilung von Komponentenkonzentrationen und deren zeitliche Veränderungen;1. Detection of the spatial distribution of Component concentrations and their temporal Changes;
- 2. Erfassung der räumlichen Verteilung von Massenflüssen aus der zeitlichen Ableitung der Konzentrationen (gilt nicht für Gleichgewichtszustände);2. Detection of the spatial distribution of mass flows the time derivative of the concentrations (does not apply for equilibrium states);
- 3. Zweidimensionale Erfassung der effektiven Windrichtung und der Stärke des Windes; beispielsweise bei flugzeugtragenden Anwendungen kann somit sowohl die horizontale Windrichtung als auch die horizontale Amplitude des Windes bestimmt werden; und3. Two-dimensional detection of the effective wind direction and the strength of the wind; for example at aircraft-carrying applications can thus both horizontal wind direction as well as the horizontal Amplitude of the wind can be determined; and
- 4. für geführte Emissionen (siehe beispielsweise die Kaminkonfiguration in Fig. 5a) kann die Konzentrationsverteilung oberhalb eines Kamins, die Flußgeschwindigkeit und der Massenfluß bestimmt werden.4. For guided emissions (see for example the chimney configuration in FIG. 5a) the concentration distribution above a chimney, the flow velocity and the mass flow can be determined.
- 5. Der für die Bestimmung des Massenflusses notwendige effektive Fahnendurchmesser kann durch die räumliche Ableitung der Intensität und die Abgastemperatur auf dem Verhältnis der thermischen zur angeregten Bande des CO₂ bei 4.3 µm bestimmt werden.5. The one necessary for determining the mass flow effective flag diameter can be determined by the spatial Deriving the intensity and the exhaust gas temperature on the Ratio of the thermal to the excited band of CO₂ can be determined at 4.3 µm.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung erlaubt somit die Messung derartiger physikalischer Größen für eine Vielzahl von Gaskomponenten in einem Gasgemisch in kürzester Zeit. Außerdem sind keine zusätzlichen Lichtquellen zur Messung erforderlich und dynamische Vorgänge bezüglich der Ausbreitung einzelner Gase G1, G2 können auf dem Bildschirm dargestellt werden. Dies kann in einem Echtzeitbetrieb vonstatten gehen.The device shown in FIG. 1 thus allows the measurement of such physical quantities for a large number of gas components in a gas mixture in the shortest possible time. In addition, no additional light sources are required for the measurement and dynamic processes relating to the spread of individual gases G1, G2 can be displayed on the screen. This can be done in real time.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei der das Emissionsspektrum E des Gasgemisches G von einem Objetiv 11 empfangen wird. Je nach Ausdehnung des zu erfassenden Bereichs in dem Gasgemisch kann das Objektiv als Weitwinkelobjektiv oder als Teleobjektiv ausgebildet sein. Typische Meßbereiche für ein Weitwinkelobjektiv sind ausgedehnte Gaswolken oder diffuse Quellen von Spurenschadstoffen. Bei der Beobachtung kleinräumiger Quellen, beispielsweise geführter Emissionen (siehe Fig. 5a, b) ist ein Teleobjektiv vorteilhaft. FIG. 2 shows an embodiment of the device according to the invention according to FIG. 1, in which the emission spectrum E of the gas mixture G is received by an objective 11 . Depending on the extent of the area to be detected in the gas mixture, the lens can be designed as a wide-angle lens or as a telephoto lens. Typical measuring ranges for a wide-angle lens are extensive gas clouds or diffuse sources of trace pollutants. When observing small-scale sources, for example guided emissions (see FIGS. 5a, b), a telephoto lens is advantageous.
Ein Strahlteiler 12 teilt das empfangene Emissionsspektrum E in das erste und zweite Teilemissionspektrum E1, E2, welche dann durch ein Referenzfilter 6-1 in einem Filterrad 16 bzw. durch ein Gasselektionsfilter 5-1 in einem Filterrad 15 gefiltert werden. Obwohl andere Teilungsverhältnisse denkbar sind, besitzt der Strahlteiler 12 in dieser Ausführungsform ein Teilungsverhältnis von 50 : 50. Da sowohl der Strahlteiler 12 als auch die Filterräder 15, 16 in parallelen Strahlengängen angeordnet sind, ist in beiden geteilten Strahlen F1, F2 eine Fokussieroptik 19, 20 angeordnet. Über die Fokussieroptik 19, 20 werden die gefilterten Teilemissionsspektren F1, F2, jeweils auf ein CCD-Array 13, 14, abgebildet. Beispielsweise umfassen die CCD-Arrays 128 × 128 Bildelemente, um eine hohe räumliche Auflösung der Konzentrations- bzw. Intensitätsverteilungen sicherzustellen. Mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird auf den CCD-Arrays 13, 14 ein Bild des Meßbereichs bzw. des Hintergrundes erzeugt. Die von den Bildelementen des zweidimensionalen CCD-Arrays erzeugten elektrischen Signale werden über eine (in Fig. 2 nicht dargestellte) Schnittstelle an die (in Fig. 2 ebenfalls nicht dargestellte) Verarbeitungs- Einrichtung 8 mit einem Bildschirm 9 übertragen. Mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird also ein Bild des Meßbereichs und ein Bild des Hintergrundes auf den CCD-Arrays 13 und 14 abgebildet. Dies erfolgt "gasselektiv", d. h. mittels der Dreheinrichtung 17, die die Filterräder 15 und 16 zur Auswechslung des Filterpaares dreht, kann ein weiter Wellenlängenbereich für die charakteristischen Wellenlängen mehrerer Gaskomponente durchgescanned werden. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung zur "gasselektiven Messung" wird somit als "gasselektive Kamera" bezeichnet.A beam splitter 12 divides the received emission spectrum E into the first and second partial emission spectrum E1, E2, which are then filtered by a reference filter 6-1 in a filter wheel 16 or by a gas selection filter 5-1 in a filter wheel 15 . Although other splitting ratios are conceivable, in this embodiment the beam splitter 12 has a splitting ratio of 50:50. Since both the beam splitter 12 and the filter wheels 15 , 16 are arranged in parallel beam paths, focusing optics 19 , 20 arranged. The filtered partial emission spectra F1, F2 are each imaged on a CCD array 13 , 14 via the focusing optics 19 , 20 . For example, the CCD arrays comprise 128 × 128 picture elements in order to ensure a high spatial resolution of the concentration or intensity distributions. With the arrangement shown in FIG. 2, an image of the measuring range or of the background is generated on the CCD arrays 13 , 14 . The electrical signals generated by the pixels of the two-dimensional CCD arrays are transmitted via a device 8 (in Fig. 2 not shown) to the interface (in Fig. 2 also not shown) are processed with a display screen 9. With the embodiment shown in FIG. 2, an image of the measuring range and an image of the background are thus imaged on the CCD arrays 13 and 14 . This is "gas-selective", ie by means of the rotating device 17 , which rotates the filter wheels 15 and 16 to replace the filter pair, a broad wavelength range for the characteristic wavelengths of several gas components can be scanned. The arrangement for "gas-selective measurement" shown in FIG. 2 is thus referred to as a "gas-selective camera".
Bei der gasselektiven Kamera in Fig. 2 ist außerdem eine Kalibrationseinrichtung 21 vor dem Objetiv 11 angeordnet. Die Kalibrationseinrichtung 21 ist zweckmäßigerweise eine drehbare Einheit, die zwei Positionen aufweist:In the gas-selective camera in FIG. 2, a calibration device 21 is also arranged in front of the objective 11 . The calibration device 21 is expediently a rotatable unit which has two positions:
- 1. eine Meßposition (offene Position), bei der der Lichtweg frei ist , so daß das Emissionsspektrum E auf das Objektiv 11 fällt; und 1. a measuring position (open position) in which the light path is free so that the emission spectrum E falls on the lens 11 ; and
- 2. eine Kalibrationsposition (geschlossene Position), bei der der Lichtweg geschlossen ist, so daß das Emissionsspektrum E nicht auf dem Objektiv 11 zu liegen kommt; dann wird das Objektiv 11 von einer Kalibrierquelle ausgeleuchtet, wobei die beiden parallel arbeitenden Signalkanäle (erster Kanal: Strahlteiler 12 - Filterrad 15 - Fokussieroptik 20 - CCD-Array 13; zweiter Kanal: Strahlteiler 12 - Filterrad 16 - Fokussieroptik 19 - CCD-Array 14) relativ zueinander kalibriert werden.2. a calibration position (closed position) at which the light path is closed so that the emission spectrum E does not come to rest on the lens 11 ; then the objective 11 is illuminated by a calibration source, the two signal channels working in parallel (first channel: beam splitter 12 - filter wheel 15 - focusing optics 20 - CCD array 13 ; second channel: beam splitter 12 - filter wheel 16 - focusing optics 19 - CCD array 14 ) are calibrated relative to each other.
Die Kalibriereinrichtung kann sich auf einer beliebigen Temperatur, die gemessen wird, befinden. Sie ist außerdem mit einer Temperaturregelung ausgestattet, so daß Kalibrationsquellen für zwei verschiedene Temperaturen eingestellt werden können. Damit werden alle Untergrundsanteile, sowohl die elektrischen als auch die thermischen eliminiert. Zweckmäßigerweise werden die Kalibrationsmessungen dabei alterierend, d. h. einmal mit einer höheren und einmal mit einer niedrigeren Temperatur durchgeführt.The calibration device can be on any Temperature that is being measured. She is also with equipped with a temperature control so that Calibration sources for two different temperatures can be adjusted. With that everyone Underground parts, both the electrical and the thermal eliminated. Conveniently, the Calibration measurements alternating, d. H. once with one higher and once with a lower temperature carried out.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Filterrades 15, 16, das in Fig. 2 als Referenzfilter-Anordnung 15 bzw. Gasselektionsfilter-Anordnung 16 verwendet wird. Das Filterrad 15 umfaßt eine Vielzahl von Referenzfiltern 5-1, 5-2, die entlang des Umfangs angeordnet sind. Das Filterrad 16 mit den Gasselektionsfiltern 6-1, 6-2 kann genauso aufgebaut sein wie das Filterrad 15. Die Filterräder werden durch die Dreheinrichtung 17 gleichzeitig gedreht. Entlang des Umfangs sind beispielsweise bis zu 20 verschiedene Filter 5-1, 5-2, 6- 1, 6-2 angeordnet und die Dreheinrichtung 17, die von der Verarbeitungseinrichtung 8 gesteuert wird, dreht die Filterräder 15, 16 zu einem nächsten Filter (beispielsweise mit einer Frequenz von 5 Hz). Die Dreheinrichtung 17 dreht also für jede nachzuweisende Gaskomponente G1, G2 die Filterräder 15, 16, so daß jeweils ein nächstes Filterpaar 5-2, 5-2 in den Strahlengang E1, E2 zu liegen kommt. Die Referenzfilter 5-1, 5-2 und die Gasslektionsfilter 6-1, 6-2 sind zweidimensionale Filter und besitzen eine Bandpaßcharakteristik bei den Wellenlängen λ₂ bzw. λ₁ so wie in Fig. 6b dargestellt. FIG. 3 shows an embodiment of a filter wheel 15 , 16 , which is used in FIG. 2 as a reference filter arrangement 15 or gas selection filter arrangement 16 . The filter wheel 15 comprises a plurality of reference filters 5-1 , 5-2 , which are arranged along the circumference. The filter wheel 16 with the gas selection filters 6-1 , 6-2 can be constructed in exactly the same way as the filter wheel 15 . The filter wheels are rotated simultaneously by the rotating device 17 . Up to 20 different filters 5-1 , 5-2 , 6- 1 , 6-2 are arranged along the circumference, for example, and the rotating device 17 , which is controlled by the processing device 8 , rotates the filter wheels 15 , 16 to a next filter ( for example with a frequency of 5 Hz). The rotating device 17 thus rotates the filter wheels 15 , 16 for each gas component G1, G2 to be detected, so that a respective next filter pair 5-2 , 5-2 comes to rest in the beam path E1, E2. The reference filter 5-1 , 5-2 and the gas selection filter 6-1 , 6-2 are two-dimensional filters and have a bandpass characteristic at the wavelengths λ₂ and λ₁ as shown in Fig. 6b.
Die Mittenfrequenz λ₁ eines Gasselektionsfilters 6-1 liegt beispielsweise bei 9,9 µm mit einer Bandbreite von ca. 10%, d. h. von 9,85 µm bis 9,95 µm. Die Mittenfrequenz λ₂ des entsprechenden Referenzfilters 5-1 eines Referenzfilter- Gasselektionsfilter-Paares für eine zu untersuchende Gaskomponente liegt dann beispielsweise bei 10 µm mit einer 10%-Bandbreite von 9,95 µm bis 10,05 µm.The center frequency λ₁ of a gas selection filter 6-1 is, for example, 9.9 µm with a bandwidth of approximately 10%, ie from 9.85 µm to 9.95 µm. The center frequency λ₂ of the corresponding reference filter 5-1 of a reference filter-gas selection filter pair for a gas component to be examined is then, for example, 10 µm with a 10% bandwidth from 9.95 µm to 10.05 µm.
Da in der Verarbeitungseinrichtung 8 für die elektrischen Signale der CCD-Arrays 13, 14 schnelle Signalprozessoren mit paralleler Verarbeitung verwendet werden, kann ein Filterpaarwechsel mit 5Hz für eine Vielzahl von Gaskomponenten stattfinden. Es ist somit möglich, für mehrere Gaskomponenten gleichzeitig dynamische Vorgänge zu ermitteln und auf einem Bildschirm 19 der Anzeigeinrichtung 9, wie in Fig. 4 gezeigt, deren räumliche Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen darzustellen. Gleichzeitig können auf dem Bildschirm 19 die relevanten Meßgrößen, d. h. Windrichtung, Massenfluß und Flußgeschwindigkeit oder Fahnentemperatur angezeigt werden. Es ist dabei vorteilhaft, die räumliche Verteilung der längenintegrierten Teilchenmengen der einzelnen Gaskomponenten G1, G2 in verschiedenen Farben darzustellen.Since fast signal processors with parallel processing are used in the processing device 8 for the electrical signals of the CCD arrays 13 , 14 , a filter pair change at 5 Hz can take place for a large number of gas components. It is thus possible to simultaneously determine dynamic processes for several gas components and to display their spatial courses of the length-integrated particle quantities on a screen 19 of the display device 9 , as shown in FIG. 4. At the same time, the relevant measured variables, ie wind direction, mass flow and flow velocity or flag temperature, can be displayed on the screen 19 . It is advantageous to show the spatial distribution of the length-integrated particle quantities of the individual gas components G1, G2 in different colors.
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung also die Ermittlung des räumliches Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmengen (Konzentrationsverteilungen) einer Vielzahl von Gaskomponenten in einem Gasgemisch in kürzester Zeit, so daß eine Beobachtung von dynamischen Vorgängen einzelner Gaskomponenten in dem Gasgemisch möglich ist. Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der "differentiellen Emissionsspektroskopie" und die räumlichen Ausbreitungsvorgänge für viele Gaskomponenten sind somit hochauflösend und in kurzer Zeit bestimmbar. In summary, the invention thus enables the determination the spatial course of the length-integrated particle quantities (Concentration distributions) of a variety of gas components in a gas mixture in no time, making an observation of dynamic processes of individual gas components in the Gas mixture is possible. The invention is based on the principle the "differential emission spectroscopy" and the spatial Spreading processes for many gas components are thus high resolution and determinable in a short time.
Obwohl die Erfindung oben im Zusammenhang mit der Erfassung von geführten Gasemissionen bzw. Triebwerksemissionen beschrieben wurde, sind vielerlei andere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, beispielsweise für die Abgasüberwachung in Kraftfahrzeugen.Although the invention is related to the detection of guided gas emissions or engine emissions described there are many other possible applications, for example for exhaust gas monitoring in motor vehicles.
Claims (18)
- a) eine Aufnahmeeinrichtung (1) zum Empfang eines 2D-Emissionsspektrums (E) des Gasgemischs (G) in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
- b) eine Strahlteilereinrichtung (2) zum Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums (E) in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum (E1, E2);
- c) ein erstes und ein zweites 2D-Sensorfeld (3, 4) zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums (E1, E2);
- d) eine 2D-Referenzfilter-Anordnung (5), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem ersten 2D-Sensorfeld (3) angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter (5-1; 5-2) zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums (E1) aufweist.
- e) eine 2D-Gasselektionsfilter-Anordnung (6), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem zweiten 2D-Sensorfeld (4) angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter (6-1; 6-2), zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums (E2) aufweist; und
- f) eine Verarbeitungs-Einrichtung (8) zum Ermittelung des räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge (n.L) der mindestens einen Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2).
- a) a recording device ( 1 ) for receiving a 2D emission spectrum (E) of the gas mixture (G) in a spatially limited two-dimensional area;
- b) a beam splitter device ( 2 ) for splitting the received emission spectrum (E) into a first and a second partial emission spectrum (E1, E2);
- c) first and second 2D sensor fields ( 3 , 4 ) for receiving the first and second partial emission spectrum (E1, E2);
- d) a 2D reference filter arrangement ( 5 ), which is arranged between the beam splitter device ( 2 ) and the first 2D sensor field ( 3 ) and at least one reference filter ( 5-1 ; 5-2 ) for filtering the first partial emission spectrum (E1 ) having.
- e) a 2D gas selection filter arrangement ( 6 ) which is arranged between the beam splitter device ( 2 ) and the second 2D sensor field ( 4 ) and at least one gas selection filter ( 6-1 ; 6-2 ), for filtering the second part emission spectrum ( E2); and
- f) a processing device ( 8 ) for determining the spatial profile of the length-integrated particle quantity (nL) of the at least one gas component on the basis of the filtered first partial emission spectrum (F1) and the filtered second partial emission spectrum (F2).
die Referenzfilter-Anordnung (5) eine Vielzahl von Referenzfiltern (5-1, 5-2) umfaßt;
die Gasselektionsfilter-Anordnung (6) eine Vielzahl von Gasselektionsfiltern (6-1, 6-2) umfaßt; und
eine Wechseleinrichtung (7) vorgesehen ist, zum Ersetzen eines Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paars (5-1, 6-1) durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar (5-2, 6-2).2. Device according to claim 1, characterized in that
the reference filter arrangement ( 5 ) comprises a plurality of reference filters ( 5-1 , 5-2 );
the gas selection filter arrangement ( 6 ) comprises a plurality of gas selection filters ( 6-1 , 6-2 ); and
a changeover device ( 7 ) is provided for replacing a reference filter / gas selection filter pair ( 5-1 , 6-1 ) with another reference filter / gas selection filter pair ( 5-2 , 6-2 ).
- a) Aufnehmen eines 2D-Emissionsspektrums (E) des Gasgemisches (G) in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
- b) Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums (E) in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum (E1, E2);
- c) Filtern des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums (E1, E2) mit mindestens einem Referenzfilter (5-1) einer 2D-Referenzfilter-Anordnung (5) bzw. mindestens einem Gasselektionsfilter (6-1) einer 2D-Gasselektionsfilteranordnung (6);
- d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums (F1, F2); und
- e) Ermitteln des Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge (n.L) der mindestens einen Gaskomponente (G1) auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2).
- a) recording a 2D emission spectrum (E) of the gas mixture (G) in a spatially limited two-dimensional area;
- b) splitting the received emission spectrum (E) into a first and a second partial emission spectrum (E1, E2);
- c) filtering the first and second partial emission spectrum (E1, E2) with at least one reference filter ( 5-1 ) of a 2D reference filter arrangement ( 5 ) or at least one gas selection filter ( 6-1 ) of a 2D gas selection filter arrangement ( 6 );
- d) receiving the first and second filtered partial emission spectrum (F1, F2); and
- e) determining the course of the length-integrated particle quantity (nL) of the at least one gas component (G1) on the basis of the filtered first partial emission spectrum (F1) and the filtered second partial emission spectrum (F2).
Priority Applications (1)
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| DE4324154A DE4324154A1 (en) | 1993-07-19 | 1993-07-19 | Device and method for analysis, with high spatial resolution, of at least one gas component in a gas mixture |
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